铸造锌合金材料

铸造锌合金材料

第二篇铸造锌合金材料

2.1 概述

2.1.1 锌的存在形式及基本属性

自然界中未曾发现过自然锌，锌往往是以硫化矿物和氧化矿物的形式存在。在硫化矿物中，锌主要是以闪锌矿形式存在，而在氧化矿中主要以菱锌矿和异极矿的形式存在。在现代炼锌工业所采用的原料，绝大部分是硫化矿物。同时，自然界中很少存在单一的锌矿床，一半多与其他金属伴生，如铅锌矿、铜锌矿及铜铅锌矿等。

锌是一种具有金属光泽的银白色金属。其熔点为419.5℃，沸点为907℃。在未合金化时，它是一种较软的金属，其强度和硬度值要比锡和铅大，但比铝和铜要小。锌是同素异晶型金属，在低于170℃时，主要以μ形式存在，在170～330℃范围以β形式存在，在330～419℃范围以α形式存在。μ相具有密排六方结构，因此室温下锌通常形成六面体晶体，在断裂面出现结晶状。一般讲，锌的晶格常数a及c分别为0.2665nm和0.4947nm，c/a的理论值为1.856。每个锌原子周围有12个临位原子，其中6个原子的间距为0.2665nm，另外6个为0.2907nm。在六方基面中，原子之间的结合力要比层间强。这就是锌各向异性的根源所在。锌晶体学的另一个很重要的方面是高温条件下原子在晶格中的易动性及纯锌在室温条件下变形后的在结晶。假如某些合

金元素如镉、铜等会形成锌固溶体，锌金属的再结晶温度则会提高。对纯锌而言，几乎不发生加工硬化，因为在结晶会使加工造成的应力得到松弛。由于锌的恢复特性及加工硬化程度很小，因此其蠕变抗力或在长期作用下承受变形的能力较小。这就是锌不能用作工程材料的原因，但是如果加入某些合金元素如Ti及Cu等，蠕变抗力会增加许多倍。

2.1.2 铸造锌合金的优缺点

铸造锌合金的生产历史较长，主要适用于压力铸造或重力铸造，用来浇注汽车、拖拉机等机电部门的各种仪表壳体类铸件或浇注各种起重设备、机床、水泵等的轴承，并且近些年来又发展了高铝的高强度高耐磨性的铸造锌合金。纯金属在铸造后，如在水中淬火，可变得相当硬。商品锌因含有杂质，因而性脆而硬度高。但在大于100℃温度下可以变形，能被压成薄板或拉制成金属丝。加热到250℃后，这种锌又会变脆，在钵中能研成粉末。所以锌的延性与杂质和温度是有关系的。锌与其他金属一样有加工硬化的特点，在机械加工硬化后可在低温状态焖火以恢复其延展性。实验表明，1.5mm厚的纯锌片，在125℃保温半小时后，基本可以软化。由于其蠕变抗力低，因而不能直接用于承载。锌的延性比通宵，但是比锡大。含有细晶粒的锌容易被辊轧。金属中晶粒大小视冷却条件不同而定，若熔

化温度较高即超过熔点甚多并且冷却缓慢时，其晶粒会变得粗大。金属锌的临界剪切应力较低，它取决于应变率及温度。单晶锌在自身重力作用下会弯曲，其临界剪切应力不超过0.0785MNm-2。

随着温度的升高，锌的热导率下降，而比热容增高。单晶金属新的热导率比多晶金属锌高。热导率随晶体方向不同而不同。对定向凝固的铸造金属，由于热膨胀的各向异性，会引起变形应力。含有杂质的金属锌的电阻较大。冷轧锌的电阻比热轧锌的电阻要略大一些。锌的抗磁性随晶体方向不同而不同。锌具有电热性，当锌试样的两个端部置于不同温度时，试样内部有电流通过。

铸造锌合金的缺点是耐蚀性差，在长期使用过程中，易发生老化现象。合金的老化使铸件变脆，性能急剧下降。同时铸件发生变形、膨胀，严重时可发生开裂。锌合金的这种现象通常认为主要是晶间腐蚀所引起的。锌合金的老化，大大阻碍了这类合金的广泛应用，因此提高锌合金的抗老化能力，防止和推迟锌合金的老化就成了研究、生产这类合金的基本课题。在我国，锌是非铁金属工业中重点发展的主要金属之一。用锌合金取代铜合金和铝合金，在节约能源和降低原材料成本以及合理使用本国资源方面具有重要意义。

锌的物理性能由表2-1所示。

表2-1 锌的物理性能

性能数值或表达式

0.9

体膨胀系数/⨯10-6K-1（293～

523K）

39.7

线膨胀系数/⨯10-6K-1（293～

373K）多晶体

14.3

（293～373K）a

轴

60.8

（293～673K）c

轴

表面张力/mNm-1(在熔点温

782

度时)

（450℃）755

5.96

电阻率（⨯10-2）/Ωμm 固态

（293K）

液态

37.4

（692.7K）

原子序数30

相对原子量65.37

原子价 2

晶体结构密排六a=0.2664nm

方c=0.49469nm

c/a=1.856

孪晶面(1012)

0.1332

原子尺寸/nm 原子半

径

0.075

离子半

径 M2+

熔点/℃419.5

沸点/℃907

7.28

熔化潜热/kJ

mol-1(692.7K)

蒸发热/kJ mol-1(1180K) 114.7

7.14

密度/g cm-3 固态

（25℃）

固态（419.5℃） 6.83

液态（419.5℃） 6.62

液态（800℃） 6.25

摩尔热容/ J mol-1

(298～692.7K)固态c

=22.40+10.05 10-3T

p

=31.40

液态c

p

=20.80

汽态c

p

标准电极（对H2电极）/V -0.762

热导率/W(mK)-1固态

113

（291K）